氣動人工肌肉的研究及應(yīng)用進(jìn)展探析

肖應(yīng)鋒

（宜昌測試技術(shù)研究所，湖北宜昌443003）

0 引言

氣動人工肌肉是流體驅(qū)動人工肌肉的一種，它用限制變形的支撐材料作為骨架，骨架內(nèi)部是可膨脹的氣囊（或類氣囊）結(jié)構(gòu)，通過氣囊的膨脹和收縮來執(zhí)行各種柔順的動作，這種結(jié)構(gòu)繼承了氣動元件的基本優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備了結(jié)構(gòu)簡單、高柔性和良好的仿生特征等其他機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)所無法比擬的特點(diǎn)。隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，氣動人工肌肉在國內(nèi)外引起廣泛關(guān)注，并已成為氣動及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。近年來關(guān)于氣動人工肌肉的研究和應(yīng)用又出現(xiàn)了一些新的進(jìn)展，本文主要圍繞近幾年氣動人工肌肉的研究應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)和分析。

1 氣動人工肌肉的發(fā)展歷程

縱觀氣動人工肌肉的發(fā)展，已經(jīng)歷了一個(gè)較長的歷史過程，截止目前，氣動人工肌肉的發(fā)展可分為嘗試期、起步期和發(fā)展初期三個(gè)階段。

1.1 嘗試期（20世紀(jì)80年代前）

早在20世紀(jì)30年代俄羅斯科學(xué)家S.Garsiev就已開始了液壓驅(qū)動人工肌肉的設(shè)計(jì)研究，但由于液壓驅(qū)動的功率/重量比較低，且材料受限，該項(xiàng)技術(shù)當(dāng)時(shí)并未得到發(fā)展［1］。

20世紀(jì)60～70年代，美國和日本的科學(xué)家也開始對人工肌肉進(jìn)行過研究，并采用了氣壓驅(qū)動，但由于工藝和控制技術(shù)發(fā)展不夠，該項(xiàng)技術(shù)長期沒有進(jìn)展，直到1980年代，日本才率先真正開始有關(guān)氣動肌肉的應(yīng)用研究［2］。

這一時(shí)期比較有代表性的產(chǎn)品主要是McKibben型氣動肌肉，該型氣動肌肉也在后續(xù)相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)被作為理論研究的基礎(chǔ)性載體。

1.2 起步期（20世紀(jì)80～90年代）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)的飛速發(fā)展和生產(chǎn)制造工藝水平的提升，這一時(shí)期氣動人工肌肉受到極大的重視并開始系統(tǒng)的研究。

這一階段的代表主要是日本Bridgestone公司以McKibben型氣動肌肉為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的Rubbertuator驅(qū)動器，在機(jī)器人技術(shù)中被廣泛用作驅(qū)動元件，這一成果使人工氣動肌肉的研究進(jìn)入了應(yīng)用領(lǐng)域［3］。同期，國內(nèi)也消化吸收已有成果并逐漸進(jìn)入氣動人工肌肉研究領(lǐng)域。

1.3 發(fā)展初期（2000年至今）

本階段國內(nèi)外對人工氣動肌肉的研究更廣泛深入，并從前期以基本特性研究為主的單一模式逐漸發(fā)展到運(yùn)動控制等多方面的復(fù)合性研究。2000年FESTO公司推出了仿生氣動肌腱系列化產(chǎn)品［4］，并提供了相應(yīng)的應(yīng)用解決方案，標(biāo)志著氣動人工肌肉進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，它已正式成為了一種標(biāo)準(zhǔn)的氣動執(zhí)行元件。

人工氣動肌肉由于其內(nèi)部機(jī)理復(fù)雜，雖經(jīng)歷多年的發(fā)展，但目前的研究和應(yīng)用也只是處于初級階段，并沒有得到普及應(yīng)用。

2 近年來氣動人工肌肉的研究及應(yīng)用

近年來，氣動人工肌肉的研究和應(yīng)用主要集中在模型及基本特性研究、控制模式研究、實(shí)際應(yīng)用研究和生產(chǎn)制造技術(shù)研究四個(gè)方面，以下分別介紹其研究和應(yīng)用概況。

2.1 模型及基本特性研究

基本特性的研究作為氣動人工肌肉的基礎(chǔ)性研究工作正在進(jìn)一步深入，同時(shí)理論模型和測試系統(tǒng)也得到了不斷完善，進(jìn)一步提升了基本特性的研究水平。

很多研究者對氣動人工肌肉的研究都是基于Chou［5］給出的數(shù)學(xué)模型,由于該模型忽略了橡膠彈性和內(nèi)部摩擦等重要因素，使其與實(shí)際有較大差距，為此現(xiàn)階段廣大研究者以此模型為基礎(chǔ)，不斷研究完善并提出新的模型。2009年，張遠(yuǎn)深等［6］以FESTO公司生產(chǎn)的MAS氣動人工肌肉為研究對象，詳細(xì)分析了Chou理論模型的存在的缺陷，通過改進(jìn)建立了與實(shí)際更為接近的模型。張宏立等［7］通過試驗(yàn)分析提出，可采用試驗(yàn)擬合的方法得出簡單的人工肌肉數(shù)學(xué)模型來取代很復(fù)雜的理論數(shù)學(xué)模型。2010年，劉小華等［8］以McKibben人工肌肉為基礎(chǔ)，對國內(nèi)建立的比較好的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析對比，結(jié)合彈性力學(xué)和摩擦理論建立了現(xiàn)階段相對完善的氣動人工肌肉靜態(tài)數(shù)學(xué)模型。2011年，西安交通大學(xué)劉吉軒等［12］建立了等效剛度—阻尼模型，更好地描述了它的機(jī)械特性。

為指導(dǎo)完善數(shù)學(xué)模型的建立，關(guān)于氣動人工肌肉基本特性的測試系統(tǒng)的研究也在快速發(fā)展，如劉昱等［9］提出了一種以低摩擦氣缸為加載的新型氣動人工肌肉測試系統(tǒng)，引入了基于微分跟蹤器的前饋PID控制器，克服了傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的缺陷，提高了測試效率及自動化程度。通過利用測試系統(tǒng)對氣動人工肌肉進(jìn)行特性測試，可更直接有效的指導(dǎo)分析研究并完善理論模型。

2.2 控制模式研究

由于氣動人工肌肉的強(qiáng)非線性和參數(shù)時(shí)變性特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)很難做到精確的位置控制，針對這些問題，近年來國內(nèi)外研究者采用多種方式對氣動人工肌肉的位置控制模式進(jìn)行了廣泛的研究。

由于傳統(tǒng)的PID控制精度不高，相關(guān)人員引入不同的算法進(jìn)行氣動人工肌肉的PID控制研究。田艷兵等［10］采用粒子群算法對人工肌肉關(guān)節(jié)角度控制中PID參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，取得了不錯(cuò)的控制效果，并證明了該方法比用Ziegler-Nichols法進(jìn)行PID參數(shù)整定效果顯著。另外，采用模糊PID［11］、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID［12］、基于遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Smith預(yù)估PID控制［13］等方法，都取得了較傳統(tǒng)經(jīng)典PID更好的效果。

同期，研究人員也采用了變結(jié)構(gòu)控制策略進(jìn)行研究，其中離散滑?？刂撇呗允箍刂普`差達(dá)到了±1.5 mm，小于同條件下PID控制誤差2 mm［14］；但采用滑?？刂撇呗詴r(shí)，控制系統(tǒng)輸出的高頻抖振可能造成系統(tǒng)設(shè)備的損壞，設(shè)計(jì)時(shí)需盡量減小有害抖振到可行程度［15］。

可以看出，到目前為止還沒有一個(gè)完美控制策略實(shí)現(xiàn)精確地控制，控制模式的研究還是未來一定時(shí)期的研究重點(diǎn)。

2.3 實(shí)際應(yīng)用研究

由于氣動人工肌肉的優(yōu)點(diǎn)越來越受到重視，引領(lǐng)其技術(shù)逐漸向?qū)嶋H應(yīng)用方向發(fā)展。

在現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，滕燕等［16］結(jié)合氣動人工肌肉進(jìn)行下肢康復(fù)機(jī)器人的研究，對比總結(jié)了電機(jī)驅(qū)動型、健康下肢驅(qū)動性和氣動柔性驅(qū)動型下肢康復(fù)訓(xùn)練器（采用氣動人工肌肉制作）的特點(diǎn)，認(rèn)為柔順性、安全性和智能化是下肢康復(fù)器未來的發(fā)展方向。

在機(jī)械手應(yīng)用方面，孫中圣等［17］以氣動人工肌肉作為驅(qū)動器的外骨架式反饋數(shù)據(jù)手套，研究了虛擬環(huán)境中抓取柔性物體的力覺再現(xiàn)問題，為力反饋數(shù)據(jù)手套在虛擬裝配、遙操作、虛擬手術(shù)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。衛(wèi)玉芬等［18］討論了基于生物運(yùn)動機(jī)制的仿人兩指手爪的結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了氣動肌肉驅(qū)動手指加持力的理論模型，指出氣動肌肉的輸出壓力是決定手指抓取力與手指張角大小的唯一因素，并證實(shí)了該手爪可有效地抓取多種易碎、柔軟的物體。朱紅亮等［19］將遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)作用于氣動肌肉機(jī)械手樣機(jī)上，較好地實(shí)現(xiàn)了在室外700 m和室內(nèi)100 m區(qū)域內(nèi)對氣動肌肉機(jī)械手的遠(yuǎn)程無線控制，并運(yùn)行可靠。同時(shí)，國內(nèi)也開展了多自由度靈巧手的研究和試驗(yàn)。

近幾年來，國內(nèi)很多行業(yè)已經(jīng)開始使用人工氣動肌肉來解決實(shí)際問題。如在小型舵機(jī)加載系統(tǒng)中，利用氣動人工肌肉代替常規(guī)的電動缸，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)橫向力的加載，解決小型舵機(jī)電動缸安裝空間不夠的問題［20］；在振動輸送技術(shù)應(yīng)用中，將氣動人工肌肉和機(jī)械料盤集成一體，實(shí)現(xiàn)了氣動人工肌肉的激振定向送料，組成了一種全新的氣動振動盤［21］；在汽車行業(yè)，利用人工氣動肌肉設(shè)計(jì)主動緩沖減振座椅，用于減小路面激勵(lì)對駕駛員的振動沖擊［22］；在空投技術(shù)領(lǐng)域，利用氣動人工肌肉實(shí)現(xiàn)空投著陸緩沖，在現(xiàn)有空投系統(tǒng)基礎(chǔ)上提高了空投質(zhì)量，增強(qiáng)了穩(wěn)定性［23］。

2.4 生產(chǎn)制造技術(shù)研究

氣動人工肌肉研究起步較晚，目前只有國外少數(shù)廠家能提供規(guī)格有限的產(chǎn)品，如德國FESTO、英國Shadow公司，且目前國內(nèi)絕大多數(shù)研究都是以德國FESTO公司提供的人工肌肉為對象開展。近幾年來，相關(guān)資料顯示，國內(nèi)也在逐漸開展氣動人工肌肉的生產(chǎn)制造技術(shù)研究，但都處于試制起步階段。

2007，楊林等［24］詳細(xì)介紹了簡易氣動人工肌肉的制作方法，并經(jīng)過驗(yàn)證取得了成功；2010年，李紅雁［25］對人工肌肉橡膠筒的制造進(jìn)行了研究，解決了生產(chǎn)工藝問題。這些研究成果都為后續(xù)人工氣動肌肉的推廣奠定了基礎(chǔ)。但由于目前國內(nèi)需求主要是科研，批量商業(yè)化動力不足，也導(dǎo)致了氣動人工肌肉的生產(chǎn)制造技術(shù)發(fā)展遲緩。

3 氣動人工肌肉的發(fā)展前景分析

氣動人工肌肉作為一種處于發(fā)展初期的新型氣動驅(qū)動器，它的前期發(fā)展主要受機(jī)器人技術(shù)的牽引和推動，由于它優(yōu)點(diǎn)顯著，正在逐漸進(jìn)入到各行各業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域，具有良好的發(fā)展趨勢。

首先，現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展過程中，柔性技術(shù)已普遍成為產(chǎn)品自動化實(shí)現(xiàn)的瓶頸，如易碎易變形物品的抓取、高精度產(chǎn)品的裝配都具備一定的技術(shù)難度，氣動人工肌肉在解決類似柔性問題上具有明顯的優(yōu)勢，隨著研究的深入，氣動人工肌肉在這一技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用，柔性技術(shù)的廣泛應(yīng)用也會帶動工業(yè)自動化水平的提升。

其次，氣動人工肌肉良好的仿生特征決定了其在機(jī)器人領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。氣動人工肌肉的發(fā)展與機(jī)器人技術(shù)息息相關(guān)，兩者結(jié)合可使機(jī)器人完成更多的類人操作，更重要的是在某些高危行業(yè)可一定程度代替人的操作，降低風(fēng)險(xiǎn)。如執(zhí)行水下操作、高空作業(yè)，乃至排爆、救援等，這些領(lǐng)域都將大有作為。

另外，由于氣動人工肌肉結(jié)構(gòu)簡單，作為一種普通的驅(qū)動器可大大簡化傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜設(shè)計(jì)，這一特點(diǎn)正越來越受到重視，并將被逐漸應(yīng)用于日常設(shè)計(jì)中，從而實(shí)現(xiàn)氣動人工肌肉技術(shù)應(yīng)用的普及化。

綜上分析，氣動人工肌肉應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，更重要的是，它具備了許多傳統(tǒng)機(jī)械不具備的特點(diǎn)，通過深入開發(fā)利用，可以解決目前各行業(yè)長期面臨的一些實(shí)際問題，促進(jìn)科研及工業(yè)自動化水平的發(fā)展，前景可觀。

4 結(jié)論

目前，氣動人工肌肉技術(shù)的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速，但還沒有實(shí)現(xiàn)普及推廣，它具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景，但需要理論技術(shù)研究的進(jìn)一步深入來支持。綜合分析氣動人工肌肉的發(fā)展現(xiàn)狀，認(rèn)為在未來一定時(shí)期內(nèi)，重點(diǎn)從以下幾方面開展研究，可較好地加速推動該技術(shù)的快速發(fā)展。

1）以高精度控制策略為理論研究重點(diǎn)，尋求合適的模型和控制算法以更好的指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用；

2）結(jié)合各行各業(yè)的實(shí)際需求開展針對性的應(yīng)用研究，為不同行業(yè)提供具體的系列化解決方案，使該技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域逐漸普及；

3）結(jié)合試驗(yàn)測試開展產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化研究。人工氣動肌肉作為一種新型柔性驅(qū)動器，國內(nèi)外產(chǎn)品形式單一，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此，很有必要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化研究，建立標(biāo)準(zhǔn)化體系，同時(shí)開發(fā)多規(guī)格多系列的產(chǎn)品，經(jīng)過試驗(yàn)測試提供對應(yīng)的特性參數(shù)供各領(lǐng)域選用，通過這種模式促進(jìn)理論研究和生產(chǎn)制造工藝的共同發(fā)展。

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